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Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Bauteil einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und einen Motor in einem Flugzeugantriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
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In elektrischen Maschinen, insbesondere auch in Rotoren elektrischer Antriebe von Flugzeugen, werden häufig Permanentmagnetmittel eingesetzt, die Fliehkräften, magnetische Kräften und / oder ggf. anderen Kräften ausgesetzt sind.
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Es ist notwendig, diese Kräfte zu kompensieren und die Permanentmagnetmittel in ihrer Lage zu fixieren. Dazu sind Rückhaltemittel, wie z.B. Umwicklungen an Rotoren, bekannt, die den Kräften entgegenwirken.
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Diese Rückhaltemittel müssen dabei aus Effizienzgründen eine niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Daher weisen die Rückhaltemittel häufig Verbundmaterialien auf, wie z.B. kohlenfaserverstärkte Polymere.
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Damit die Rückhaltemittel aber ihre Stabilität behalten, muss die Glasübergangstemperatur des polymeren Materials hinreichend weit oberhalb der Betriebstemperaturen der elektrischen Maschine liegen. Oberhalb der Glasübergangstemperatur geht ein festes, insbesondere auch duroplastisches Polymer in einen gummiartigen bis zähflüssigen Zustand über, in dem die mechanische Stabilität der Rückhaltemittel nicht mehr gewährleistet wäre.
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Es ist bekannt, dass ein Rückhaltemittel für Permanentmagnetmittel separat von der elektrischen Maschine hergestellt wird. Dies bedeutet z:B., dass das Faserverbundmaterial separat gewickelt und ausgehärtet wird und dann z.B. durch ein Schrumpfverfahren auf einen Rotor der elektrischen Maschine aufgebracht wird. Bei diesem Vorgehen sind u.a. die hohen Herstellungskosten nachteilig, da der apparative Aufwand zur Herstellung erheblich ist. Auch sind die Herstellungszeiten vergleichsweise lang. Ferner muss das Rückhaltemittel so ausgelegt sein, dass es insbesondere den hohen mechanischen Belastungen beim Schrumpfen standhält. So müssen deshalb die Fasern des Faserverbund-Rückhaltemittels z.B. da abgelegt werden, wo sie für die Erreichung der eigentlichen Rückhalteaufgabe nicht notwendig wären. Somit wird das Rückhaltemittel durch die Auslegung bedingt schwerer als es eigentlich notwendig wäre.
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Alternativ kann die Faserverbundstruktur des Rückhaltemittels direkt auf dem Rotor der elektrischen Maschine („in-situ“) hergestellt werden, d.h., das Wickeln und Aushärten des Verbundmaterials erfolgt auf dem Rotor. Dabei wird der gesamte Rotor dem Herstellungszyklus des Verbundmaterials unterworfen, d.h., er wird z.B. in einem Ofen oder einem Autoklaven nach bestimmten zeitlichen Vorgaben erhitzt. Die Glasübergangstemperatur des Verbundmaterials stellt eine Limitierung für den Herstellungsprozess dar.
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Je höher die Aushärtungstemperatur des Verbundmaterials, desto höher ist die thermische Stabilität des Bauteils, so dass grundsätzlich höhere Temperaturen bevorzugt wären. Da aber die Aushärtung des Rückhaltemittels direkt am Rotor erfolgt, liegen hier vergleichsweise hohe Temperaturen an. Dies hat zur Folge, dass die Permanentmagnetmittel u.U. dauerhaft entmagnetisiert werden können, da oberhalb der Curie-Temperatur eine Entmagnetisierung eintritt. Materialien sind grundsätzlich nur deutlich unterhalb der Curie-Temperatur als magnetische Werkstoffe einsetzbar.
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Aufgrund dieser entgegenlaufenden Anforderungen ist es schwierig, eine ausreichende Sicherheitsmarge zwischen den Betriebstemperaturen oder Aushärtungstemperaturen und der Glasübergangstemperatur zu finden. Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt soll diese Sicherheitsmarge nach dem Composite Materials Handbook 17 mindestens 28°C betragen.
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Daher werden Lösungen benötigt, die eine Herstellung von permanentmagnetischen Bauteilen einer elektrischen Maschine ohne eine Entmagnetisierung der Permanentmagnetmittel ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dabei wird mindestens ein Permanentmagnetmittel des Bauteils zusammen mit mindestens einem mechanischen Rückhaltemittel zur räumlichen Fixierung des mindestens einen Permanentmagnetmittels auf oder an dem Bauteil angeordnet. Das mindestens eine mechanische Rückhaltemittel besteht dabei aus Verbundmaterial oder weist Verbundmaterial auf. Dies entspricht dem eingangs genannten Anbringen des Rückhaltemittels in-situ. Mindestens während einer thermischen Behandlung des Bauteils wird ein Mittel zur gezielten Steuerung des Magnetfeldes der Permanentmagnetmittel eingesetzt. Damit wird auf die Permanentmagnetmittel gezielt eingewirkt, damit diese sich nicht entmagnetisieren. Wie im Folgenden deutlich wird, kann das eingesetzte Mittel ein weiteres mechanisches Mittel sein oder auch ein weiterer Verfahrensschritt.
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In einer Ausführungsform wird dann vor, während oder nach dem Aufbringen des mindestens einen Permanentmagnetmittels und des mindestens einen mechanischen Rückhaltemittels mindestens ein magnetisches Nebenschlussmittel auf oder an dem Bauteil angeordnet, so dass dies magnetisch mit dem mindestens einen Permanentmagnetmittel wechselwirkt. Diese Wechselwirkung ist insbesondere eine magnetische Abschirmung der Permanentmagnetmittel zur Verhinderung einer Entmagnetisierung.
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Anschließend kann dann das mindestens eine Permanentmagnetmittel, das mindestens eine mechanische Rückhaltemittel und das mindestens eine magnetische Nebenschlussmittel einer thermischen Behandlung zum Aushärten des Rückhaltemittels unterzogen werden. Das mindestens eine magnetische Nebenschlussmittel kann dann anschließend vor einer weiteren Verwendung des Bauteils entfernt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Aufbringen des mindestens einen Permanentmagnetmittels und des mindestens einen mechanischen Rückhaltemittels auf das Bauteil, insbesondere bei einer thermischen Behandlung, ein magnetisches Feld an das Bauteil angelegt wird, wobei sowohl die magnetische Feldstärke als auch die Induktion positiv sind. Die Verwendung eines solchen Gegenfeldes dient ebenfalls der Verhinderung einer ungewollten Magnetisierung. Wenn man eine Ausführungsform mit einem radialen magnetischen Fluss der Permanentmagnetmittel annimmt, so kann eine magnetische Spulenvorrichtung analog zu einem Stator mit einem nicht rotierenden Feld eingesetzt werden.
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In beiden Verfahren werden die Eigenschaften der Permanentmagnetmittel gezielt beeinflusst, um höhere Aushärttemperaturen zu ermöglichen.
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Die beiden Verfahren können auch in Kombination angewandt werden. Die Elemente für den magnetischen Kurzschluss des einen Verfahrens und für das externe elektrische Feld würden magnetisch in Serie geschaltet werden und einander in ihrer Wirkung auf das Magnetmaterial verstärken
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In einer Ausführungsform weist das mindestens eine magnetische Nebenschlussmittel weichmagnetisches Material auf oder besteht aus diesem Material. Weichmagnetische Materialien können grob nach ihrer Koerzitivfeldstärke von anderen Materialien abgegrenzt werden. Werkstoffe mit geringer Koerzitivfeldstärke, d.h. weniger als 10 Alm, bezeichnet man als weichmagnetisch. So können z.B. Elektrobleche mit einer Eisen-Silizium-Legierung, einer Kobalt-Eisen-Legierung und / oder einer Nickel-Eisen-Legierung als weichmagnetische Materialien verwendet werden. Das weichmagnetische Material kann dabei in flächiger oder in Pulverform eingesetzt werden. Eine wirkungsvolle magnetische Entlastung der Rotor-PMs könnte auch durch externes Magnetmaterial mit höherer Temperaturklasse erfolgen (z.B. Samarium Kobalt Magnetmaterial).
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Das mindestens eine magnetische Nebenschlussmittel kann z.B. als Ring oder zylindrisches Bauteil ausgebildet sein und konzentrisch um das mindestens eine Permanentmagnetmittel herum angeordnet sein. Eine solche Bauform bietet sich an, wenn der magnetische Fluss in radialer Richtung vorliegt.
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Die thermische Behandlung des mindestens einen Rückhaltemittels kann mindestens bei über 140 °C erfolgen, so dass relativ hohe Temperaturen realisierbar sind. Die thermische Behandlung kann dabei auch 5 bis 10 °C unterhalb der Glasübergangstemperatur oder des kleinsten Wertes eines Glasübergangsbereiches des mindestens einen mechanischen Rückhaltemittels erfolgen.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Auf oder an dem Bauteil einer elektrischen Maschine ist mindestens ein Permanentmagnetmittel zusammen mit mindestens einem mechanischen Rückhaltemittel zur räumlichen Fixierung des mindestens einen Permanentmagnetmittels vorgesehen und das mindestens eine Rückhaltemittel besteht aus Verbundmaterial oder weist Verbundmaterial auf. Dabei ist mindestens ein magnetisches Nebenschlussmittel auf oder an dem Bauteil so angeordnet, dass dieses magnetisch mit dem mindestens einen Permanentmagnetmittel wechselwirkt. Damit ist dieses Bauteil während einer thermischen Behandlung vor einer Entmagnetisierung aufgrund der relativ hohen anliegenden Temperaturen geschützt. Das Bauteil kann z.B. als Rotor eines elektrischen Motors ausgebildet sein.
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Das mindestens eine magnetische Nebenschlussmittel ist in einer Ausführungsform als Ring oder zylindrisches Bauteil ausgebildet, das konzentrisch um das mindestens eine Permanentmagnetmittel herum angeordnet ist. Das mindestens eine magnetische Nebenschlussmittel weist dabei z.B. weichmagnetisches Material auf oder besteht aus diesem Material.
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Das weichmagnetische Material kann z.B. ein Elektroblech mit einer Eisen-Silizium-Legierung, einer Kobalt-Eisen-Legierung und / oder einer Nickel-Eisen-Legierung sein.
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Ein elektrischer Motor in einem Flugzeugantriebssystem kann z.B. einen Motor mit einem Bauteil aufweisen, das nach mindestens einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 9 herstellbar ist.
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In Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Teilansicht einer Ausführungsform eines Bauteils;
- 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens;
- 3 ein Ablaufdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens;
- 4 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Induktion und magnetischer Feldstärke.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen beschrieben, bei mindestens während einer thermischen Behandlung eines Bauteils einer elektrischen Maschine ein Mittel zur gezielten Steuerung des Magnetfeldes von Permanentmagnetmittel eingesetzt wird, um eine Entmagnetisierung zu vermeiden. In der Ausführungsform gemäß 1 und 2 wird ein mechanisches Mittel in der Form eines magnetischen Nebenschlussmittels 3 eingesetzt. In den 3 und 4 ist das Mittel ein weitere Verfahrensschritt, nämlich der Einsatz eines bestimmten Magnetfeldes.
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In der 1 ist ein Teil eines Rotors 10 eines elektrischen Motors schematisch in einer Schnittansicht dargestellt, der z.B. in einem Flugzeugantrieb einsetzbar ist. Der Schnitt geht in der Darstellung der 1 senkrecht zur Drehachse.
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Anhand dieses Bauteils 10 wird eine Ausführungsform erläutert, wobei grundsätzlich auch andere Ausführungsformen und Anwendungsfelder möglich sind.
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Am äußeren Umfang einer Welle 4 des Rotors 10 sind in an sich bekannter Weise Permanentmagnetmittel 1 angeordnet. Diese weisen in der Regel hartmagnetische Eisen-, Kobalt- und / oder Nickel-Legierungen auf. In der schematischen Darstellung der 1 sind die Polaritäten der Permanentmagnetmittel 1 nicht dargestellt. Auch ist die hier dargestellte lückenlose Anordnung der Permanentmagnetmittel 1 nur beispielhaft zu verstehen.
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Im Betrieb erfahren die Permanentmagnetmittel 1 u.a. Fliehkräfte Z, die radial nach außen wirken.
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Damit die Permanentmagnetmittel 1 sich in ihrer Lage möglichst wenig oder gar nicht verändern, ist ein mechanisches Rückhaltemittel 2 vorgesehen, das hier die Permanentmagnetmittel 2 konzentrisch umgibt, d.h. es bildet eine kreiszylindrische Umhüllung um die Permanentmagnetmittel 1.
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Dieses mechanische Rückhaltemittel (auch als Bandage bezeichnet) kann z.B. aus einem Faserverbundmaterial bestehen oder dieses aufweisen. In jedem Fall hat das mechanische Rückhaltemittel 2 einen Anteil an polymerem Material. In der hier dargestellten Ausführungsform wird das mechanische Rückhaltemittel 2 direkt auf das Bauteil 10 aufgebracht (insbesondere gewickelt), wobei eine Aushärtung des mechanischen Rückhaltemittels 2 in-situ, d.h. auf dem Bauteil erfolgt.
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Damit die bei der Aushärtung anfallenden, relativ hohen Temperaturen (insbesondere über 140 °C) nicht zu einer unerwünschten Entmagnetisierung der Permanentmagnetmittel 1 führen, wird hier ebenfalls konzentrisch ein magnetisches Nebenschlussmittel 3 um die Permanentmagnetmittel 1 angeordnet. Das magnetische Nebenschlussmittel 3 ist dabei auf den hier vorhandenen radialen magnetischen Fluss ausgelegt. In anderen Anwendungsfällen, mit anderen Bauteil-Geometrien wird das magnetische Nebenschlussmittel 3 auch andere Formen annehmen.
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Das magnetische Nebenschlussmittel 3 (im Englischen auch als „shunt“ bezeichnet) weist weichmagnetisches Material auf oder besteht aus diesem Material. Zum Einsatz können z.B. Elektrobleche oder weichmagnetische Legierungen kommen.
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Das magnetische Nebenschlussmittel 3 bildet einen magnetischen Kurzschluss, indem es Bereiche mit entgegengesetzten magnetischer Polaritäten miteinander verbindet. Damit werden magnetische Feldlinien in gewünschter Weise umgelenkt, so dass es in der hier dargestellten Ausführungsform nicht zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnetmittel 1 kommen kann, wenn das Bauteil 10 in-situ mit dem mechanischen Rückhaltemittel 2 versehen wird.
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Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung des Bauteils wird in 2 beschrieben.
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Dabei werden in einem ersten Schritt 101 die Permanentmagnetmittel 1 angeordnet. Anschließend erfolgt die Anordnung des konzentrischen mechanischen Rückhaltemittels 2 im Schritt 102. Im nachfolgenden Schritt wird dann das magnetische Nebenschlussmittel 3 aufgebracht, so dass anschließend im Schritt 104 eine thermische Behandlung des Bauteils 10 zur Aushärtung erfolgen kann.
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Die thermische Behandlung 104 kann dabei 5 bis 10 °C unterhalb der Glasübergangstemperatur oder des kleinsten Wertes eines Glasübergangsbereiches des mechanischen Rückhaltemittels 2 erfolgen.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer elektrischen Maschine, das von der gleichen Grundkonstellation ausgeht, ist im Zusammenhang mit der 3 dargestellt.
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Dabei werden in einem ersten Schritt 201 die magnetischen Permanentmagnetmittel 1 angeordnet. Anschließend erfolgt die Anordnung des hier konzentrischen Rückhaltemittels 2 im Schritt 202. Anschließend, insbesondere während der thermischen Behandlung zur Aushärtung des mechanischen Rückhaltemittels wird dann im Schritt 202 an das Bauteil 10 ein magnetisches Feld F als Gegenfeld (d.h. mit einer Bremswirkung) im ersten Quadranten des B-H-Diagramms (siehe 4) angelegt, so dass sowohl die magnetische Feldstärke H als auch die Induktion B positiv sind (siehe 4). Durch diese gezielte magnetische Beeinflussung des magnetischen Verhaltens wird eine Bremswirkung erreicht.
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In der 4 ist ein Beispiel für eine Hysterese-Kurve eines weichmagnetischen Materials widergegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Permanentmagnetmittel
- 2
- mechanisches Rückhaltemittel
- 3
- magnetisches Nebenschlussmittel
- 4
- Welle
- 10
- Bauteil
- B
- Induktion
- F
- magnetisches Feld
- H
- magnetische Feldstärke
- Z
- Fliehkraft
